地鐵車輛車場(chǎng)線運(yùn)行安全性試驗(yàn)研究

陳穎璞，姚治鋒，張俊杰，高賢波，孫 峰

（中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031）

0 引言

城市軌道交通的快速蓬勃發(fā)展，給城市居民的出行帶來(lái)了極大方便，同時(shí)也給行車運(yùn)營(yíng)安全帶來(lái)較大的壓力。在城市軌道交通線路設(shè)計(jì)中，最小曲線半徑是需要考慮的重要影響因素之一；在城市土地資源日益緊張的前提下，車輛段作為大宗占地往往選擇較小曲線半徑來(lái)減少占地。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50157-2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]規(guī)定車場(chǎng)線一般地段曲線半徑不小于150 m，困難地段不做硬性要求；然而受場(chǎng)地限制車輛段車場(chǎng)線曲線半徑設(shè)置往往更小，例如廣州地鐵魚珠車輛段車場(chǎng)線最小曲線半徑只有65 m[2]。地鐵車輛在投入運(yùn)營(yíng)前需進(jìn)行線路動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)，以考核車輛運(yùn)行安全性。GB/T 5599 是評(píng)定鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能的重要方法標(biāo)準(zhǔn)，但無(wú)論舊版GB/T 5599-1985《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》[3]（以下簡(jiǎn)稱GB/T 5599-1985），還是新版GB/T 5599-2019《機(jī)車車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》[4]，其考核最小半徑曲線半徑分別為300 m、250 m，并不能涵蓋車場(chǎng)線曲線半徑。更小的曲線半徑，往往意味著更大的運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)。馮仲偉[5]針對(duì)動(dòng)車組在小半徑曲線的運(yùn)行安全性進(jìn)行了研究；周橙等[6]針對(duì)低地板列車通過(guò)道岔區(qū)脫軌安全性進(jìn)行了研究；樊美娟等[7]對(duì)直線電機(jī)車輛側(cè)向通過(guò)小號(hào)道岔進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析；李苗等[8]對(duì)地鐵列車低速動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了分析研究；但他們多采用數(shù)值模擬分析的方法，并未進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。胡瀚文[9]采用檢測(cè)振動(dòng)加速度方式監(jiān)測(cè)走行部運(yùn)行安全性；丁奧等[10]基于理論和仿真的方法研究了車輛通過(guò)S 型曲線動(dòng)力學(xué)性能；楊逸航[11]研究了鋼軌打磨小半徑曲線對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響。但他們涉及的最小曲線半徑也只有180 m。車場(chǎng)線是地鐵車輛運(yùn)行密集的場(chǎng)所，并且曲線半徑更小，本文將從試驗(yàn)的角度研究地鐵車輛在車場(chǎng)線運(yùn)行安全性。

1 車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)價(jià)

地鐵車輛動(dòng)力學(xué)運(yùn)行安全性主要從脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力三方面評(píng)判，其中輪軸橫向力用于評(píng)估車輛對(duì)軌道的破壞情況，脫軌系數(shù)和輪重減載率用于評(píng)估車輛脫軌風(fēng)險(xiǎn)。

脫軌系數(shù)、輪重減載率限度值基于靜力平衡推導(dǎo)計(jì)算得出[12]；脫軌系數(shù)是評(píng)定車輛脫軌安全性的最重要的指標(biāo)之一。脫軌系數(shù)限值和輪緣角、摩擦系數(shù)相關(guān)；當(dāng)輪緣角一定時(shí)，脫軌系數(shù)限值與摩擦系數(shù)負(fù)相關(guān)。輪重減載率是在特定條件下由脫軌系數(shù)派生出來(lái)的輔助性指標(biāo)，過(guò)大的輪重減載對(duì)脫軌安全性不利[13]。輪重減載率考核前提條件為車輛低速通過(guò)小半徑曲線，輪軌橫向力很小或接近于零，車輪一側(cè)輪重遠(yuǎn)大于另一側(cè)的情況下是否會(huì)因一側(cè)車輪減載過(guò)大而導(dǎo)致脫軌，實(shí)際這種情況在動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)中極難碰到，除非車輛極其偏載或軌道極其扭曲（例如緩和曲線極短的大超高小半徑曲線）[14]。地鐵車輛裝有空氣彈簧系統(tǒng)，具有載荷偏載平衡調(diào)節(jié)能力，且車場(chǎng)線小半徑曲線和道岔不設(shè)超高，輪重減載情況并不嚴(yán)重。

2 動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)

本次試驗(yàn)參照GB/T 5599-1985 執(zhí)行，脫軌系數(shù)限值1.2。測(cè)力輪對(duì)是測(cè)量輪軌作用力最直接最準(zhǔn)確的方法，本次試驗(yàn)采用測(cè)力輪對(duì)方法測(cè)量輪軌作用力，測(cè)力輪對(duì)參照GB/T 5599-1985 間斷測(cè)量法制作和標(biāo)定。試驗(yàn)車輛為6 節(jié)編組，選取中間車作為被試車，運(yùn)行方向第1 位輪對(duì)（導(dǎo)向輪）換裝測(cè)力輪對(duì)，車編組狀況如圖1 所示。試驗(yàn)路線為連續(xù)通過(guò)3 個(gè)側(cè)向5 號(hào)道岔—半徑R100 m 右曲線—側(cè)向5 號(hào)道岔—半徑R65 m 左曲線，線路示意圖如圖2 所示。曲線超高0 mm，無(wú)緩和曲線，5 號(hào)道岔導(dǎo)曲線半徑65.7 m，夾直線長(zhǎng)4.5 m。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)力輪對(duì)和試驗(yàn)設(shè)備如圖3 所示。

圖1 試驗(yàn)車輛編組示意圖

圖2 試驗(yàn)線路示意圖

圖3 測(cè)力輪對(duì)和測(cè)試設(shè)備

工程車推行和工程車牽引是車輛段內(nèi)兩種常用的調(diào)車方式，本次試驗(yàn)圍繞兩種調(diào)車方式展開。研究了兩種調(diào)車方式、不同車輛狀態(tài)及不同軌道狀態(tài)條件下車輛運(yùn)行安全性能，車輛試驗(yàn)工況見(jiàn)表1。車輛狀態(tài)分別為整備狀態(tài)和故障狀態(tài)（被試車空氣彈簧無(wú)氣）；軌道干燥狀態(tài)為晴天進(jìn)行測(cè)試；軌道濕潤(rùn)狀態(tài)為雨天進(jìn)行測(cè)試；軌側(cè)涂油為啟動(dòng)軌道涂油裝置，當(dāng)試驗(yàn)車輛通過(guò)曲線時(shí)，涂油設(shè)備將潤(rùn)滑油脂均勻涂抹到鋼軌的內(nèi)側(cè)面，車輪和鋼軌內(nèi)側(cè)面之間產(chǎn)生的一層油膜，使兩者之從干摩擦變?yōu)橛杏蜐?rùn)滑摩擦；軌距加寬為相鄰道岔中間夾直線部分相對(duì)原軌距進(jìn)行加寬5 mm 處理，軌距由1435 mm 變?yōu)?440 mm；試驗(yàn)速度分別為5 km/h、10 km/h、13 km/h、15 km/h。

表1 車輛試驗(yàn)工況

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)，輪重減載率最大值為0.42，限值0.65，安全余量較大；輪軸橫向力最大值為38.48 kN，限值47.84 kN，安全余量較大。這里重點(diǎn)討論分析不同工況條件下脫軌系數(shù)變化情況。

圖4 所示為試驗(yàn)車輛整備狀態(tài)、軌道干燥情況下，工程車牽引與工程車推行脫軌系數(shù)對(duì)比，試驗(yàn)速度分別為5 km/h 和10 km/h。文中某些圖表缺失13 km/h、15 km/h 數(shù)據(jù)，是因?yàn)樵囼?yàn)時(shí)脫軌系數(shù)最大值接近限值而取消了對(duì)應(yīng)測(cè)試。由圖4 可知，除工程車推行以5 km/h 通過(guò)5 號(hào)道岔脫軌系數(shù)超限值外，其余工況脫軌系數(shù)均在限值之內(nèi)；工程車牽引脫軌系數(shù)小于工程車推行。在試驗(yàn)車輛通過(guò)5 號(hào)道岔和R65半徑曲線時(shí)，出現(xiàn)車速5 km/h 脫軌系數(shù)大于10 km/h情況，說(shuō)明并不是速度越低脫軌風(fēng)險(xiǎn)越小，建議車輛整備狀態(tài)、軌道干燥情況下，調(diào)車速度保持10 km/h左右。圖5 所示為整備狀態(tài)、軌側(cè)涂油，工程車牽引與工程車推行脫軌系數(shù)對(duì)比。由圖5 可知，車輛整備狀態(tài)、軌側(cè)涂油條件下，試車車輛脫軌系數(shù)均在限值以內(nèi)。與軌道干燥條件對(duì)比，軌側(cè)涂油脫軌系數(shù)最大降幅38.9%，最小降幅8.3%。軌側(cè)涂油減小了輪軌之間的摩擦，使車輪更不容易爬軌。由圖2 可知，脫軌系數(shù)限值隨輪軌間摩擦系數(shù)的減小呈增大趨勢(shì)；軌側(cè)涂油一方面降低了脫軌系數(shù)數(shù)值，另一方面增大了脫軌系數(shù)限值，是一種能降低車輛脫軌風(fēng)險(xiǎn)有效措施。

圖4 整備狀態(tài)、軌道干燥，不同調(diào)車方式脫軌系數(shù)對(duì)比

圖5 整備狀態(tài)、軌側(cè)涂油，不同調(diào)車方式脫軌系數(shù)對(duì)比

圖6 所示為軌道濕潤(rùn)、工程車推行及不同車輛狀態(tài)脫軌系數(shù)對(duì)比，試驗(yàn)速度分別為5 km/h、10 km/h、13 km/h、15 km/h。由圖6 可知，試驗(yàn)車輛故障狀態(tài)下脫軌系數(shù)大于整備狀態(tài)；速度13 km/h，車輛故障狀態(tài)脫軌系數(shù)為限值的92%，安全余量已經(jīng)較??；車輛發(fā)生空簧失氣故障時(shí)，即使在軌道濕潤(rùn)狀態(tài)，調(diào)車速度不宜超過(guò)13 km/h。圖7 所示為整備狀態(tài)、工程車推行，不同軌道狀態(tài)下脫軌系數(shù)對(duì)比。由圖7 可知，相比與軌道干燥狀態(tài)，同等條件下軌道濕潤(rùn)脫軌系數(shù)最大降幅34%；軌側(cè)涂油脫軌系數(shù)略低于軌道濕潤(rùn)；相鄰道岔之間夾直線軌距加寬脫軌系數(shù)為限值的94%，潛在的脫軌風(fēng)險(xiǎn)仍然較大；夾直線軌距加寬并不能有效降低車輛脫軌風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 軌道濕潤(rùn)、工程車推行及不同車輛狀態(tài)脫軌系數(shù)對(duì)比

圖7 整備狀態(tài)、工程車推行及不同軌道狀態(tài)脫軌系數(shù)對(duì)比

3 討論

脫軌系數(shù)是最為直觀反映軌道車輛脫軌風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，脫軌系數(shù)計(jì)算為輪軌橫向力除以輪軌垂向力，其數(shù)值的大小和輪軌垂向力和輪軌橫向力大小密切相關(guān)。想要降低車輛脫軌風(fēng)險(xiǎn)，可從減小輪重減載率和輪軌橫向力方向入手。輪重的增減載和車輛懸掛參數(shù)對(duì)線路扭曲的適應(yīng)性相關(guān)，但車輛懸掛參數(shù)和線路扭曲均不易改動(dòng)，因而想要在后期運(yùn)營(yíng)中調(diào)控輪重的減載并不容易。輪軌橫向力主要來(lái)自輪軌間的橫向蠕滑，其大小和橫向黏著系數(shù)相關(guān)，水、油介質(zhì)條件下會(huì)使輪軌橫向黏著系數(shù)降低[15-16]，從而減小輪軌橫向力。在車場(chǎng)線小半徑曲線上可以改變輪軌橫向黏著系數(shù)調(diào)控輪軌橫向力，降低車輛的脫軌風(fēng)險(xiǎn)。

圖8 所示為軌道干燥、濕潤(rùn)和涂油狀態(tài)下左輪輪軌力歷程圖，圖中實(shí)線代表輪軌橫向力、虛線代表輪軌垂向力，六角星代表岔芯所在位置。試驗(yàn)車輛在通過(guò)5 號(hào)道岔和R100 m 半徑曲線時(shí)左輪為爬軌側(cè)車輪，通過(guò)R65 m 半徑曲線為非爬軌側(cè)。由圖8 可知，軌道在干燥、濕潤(rùn)、涂油三種不同狀態(tài)下，輪軌垂向力數(shù)值差異不大，且趨勢(shì)一致；輪軌橫向力差異較大，三種狀態(tài)下輪軌橫向力最大值分別為43.48 kN、28.48 kN、26.2 kN。軌道干燥狀態(tài)左輪（爬軌側(cè)）輪軌橫向力明顯大于軌道濕潤(rùn)和軌側(cè)涂油狀態(tài)，軌道濕潤(rùn)和軌側(cè)涂油狀態(tài)輪軌橫向力數(shù)值差異不大；軌側(cè)涂油和軌道濕潤(rùn)狀態(tài)車輛脫軌系數(shù)小于軌道干燥狀態(tài)的根本原因在于輪軌橫向力的減?。辉囼?yàn)車輛除在進(jìn)出道岔輪軌橫向力急劇變化外，在通過(guò)岔芯有害空間時(shí)也會(huì)出現(xiàn)類似情況，這是因?yàn)檐囕喸诮?jīng)過(guò)岔芯有害空間時(shí)，輪軌由接觸狀態(tài)變?yōu)榉墙佑|狀態(tài)，導(dǎo)致輪軌橫向力的突然釋放。

圖8 不同軌道狀態(tài)下輪軌作用力歷程圖

4 結(jié)論

城軌地鐵車場(chǎng)線具有曲線半徑小、分布道岔多、道岔標(biāo)號(hào)小的特點(diǎn)，采用測(cè)力輪對(duì)測(cè)量輪軌作用力的方法，研究了城軌地鐵車輛在車場(chǎng)線低速運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力學(xué)性能，探討了不同軌道狀態(tài)、不同調(diào)車方式對(duì)車輛脫軌系數(shù)的影響，研究成果為制定車輛在車場(chǎng)線的安全運(yùn)營(yíng)的保障措施提供數(shù)據(jù)支撐。具體研究結(jié)論包括以下幾點(diǎn)：

（1）軌側(cè)涂油和軌道濕潤(rùn)能夠有效降低車輛脫軌風(fēng)險(xiǎn)，降低脫軌風(fēng)險(xiǎn)的根本原因在于減小了輪軌橫向力，從而減小了脫軌系數(shù)。

（2）車輛段調(diào)車牽引車輛方案要優(yōu)于推行車輛方案。

（3）車輛空簧失氣狀態(tài)運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)高于空簧充氣狀態(tài)。

（4）相鄰道岔之間夾直線的加寬并不能效的降低車輛脫軌風(fēng)險(xiǎn)。

（5）車輛段內(nèi)調(diào)車，并不是車速越低脫軌風(fēng)險(xiǎn)越低，建議車速控制在10 km/h 左右。